磷硼化無灰分散劑的性能研究

黃 卿 張 荷 劉智峰 李小剛 周 康

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心 甘肅蘭州 730060)

隨著油品規格提升，油品對金屬含量的要求越來越嚴格，傳統的抗磨型添加劑二烷基二硫代磷酸鋅的使用受到了越來越嚴格的限制[1]。不含金屬的無灰型抗磨添加劑受到了越來越多的關注和研究[2-5]。在無灰分散劑分子結構中接入磷、硼、硫等元素，可以提高其抗磨性能，并保持無灰分散劑的油泥分散性能，成為無灰分散劑一個重要的研究方向[6-9]。

潤滑油常用的無灰分散劑為T151、T161等聚異丁烯丁二酰亞胺類產品，這些無灰分散劑雖然具有較好的油泥分散性，但用于調和自動傳動液時，表現出摩擦特性持久性不強的問題。汽車在換擋過程中，離合器片的速度從零逐漸增大，為了能夠平穩地操作，傳動液需要有穩定的摩擦因數，以保證離合器能夠平穩傳遞動力。這要求油品的靜摩擦因數相對較低，動摩擦因數能夠穩定。動摩擦因數過大會增加磨損，過低將影響動力的傳遞。傳動液在工作時壓力較大，磨合時會產生較高的熱量，長時間工作后會產生酸性氧化物質，因此自動傳動液也需要較好的清凈分散性能、極壓性能和抗磨減摩性能[10-11]。

本文作者以低分子聚異丁烯馬來酸酐、多烯多胺、硼酸和磷化物為原料，研制出一種磷硼化無灰分散劑。通過模擬評價和SAE No.2試驗評定，表明該劑不僅具有良好的低溫油泥分散性，還具有較好的高溫清凈性、極壓性能、抗磨損性能、減摩性能和防抖動性能，能有效改善油品的動靜摩擦特性。

1 試驗部分

1.1 磷硼化無灰分散劑的制備

在反應釜中加入基礎油和低分子聚異丁烯馬來酸酐，開泵攪拌，升溫到100 ℃，加入多烯多胺，反應0.5 h后，升溫到150 ℃，反應2 h，得到聚異丁烯丁二酰亞胺；再加入硼酸和磷化物，升溫到160 ℃反應5 h，過濾后得到磷硼化無灰分散劑。磷硼化無灰分散的代號為RHY151PB，其主要性能見表1。表1中同時給出了對比無灰分散劑T151和T161的主要性能。

表1 分散劑的主要性質

1.2 無灰分散劑性能評定

1.2.1 低溫油泥分散性能評定

分散劑的油泥分散能力通常用油泥斑點分散值SDT表征[12]。具體試驗方法如下：將1 g無灰分散劑、9 g油泥和10 g基礎油一起放入50 mL燒杯中，在150 ℃恒溫加熱攪拌1.5 h；趁熱取一滴上述試驗油滴于濾紙上，放入烘箱恒溫80 ℃下保持2 h，測量擴散圈與油圈的比值(SDT)。

1.2.2 高溫清凈性評定

使用L-1型板式成焦傾向試驗儀評價試驗油高溫清凈性[13]。具體試驗方法：將試驗油加熱到100 ℃，通過高速轉動的濺油器把油濺到300 ℃的試驗鋁板上，運行2 h后，稱量試驗油樣在鋁板上的成焦量來評價高溫清凈性。成焦量越小，高溫清凈性越好。

1.2.3 極壓性能評定

采用GB/T 3142—2019《潤滑劑承載能力測定法 四球法》評價試驗油極壓性能。試驗可以評定出最大無卡咬負荷pB值，該值為在試驗條件下不發生卡咬的最高負荷，它代表油膜強度；也可以評定出燒結負荷pD值，該值為在試驗條件下使鋼球發生燒結的最低負荷，它代表潤滑劑的極限工作能力。

1.2.4 抗磨損性能評定

采用NB/SH/T 0189—2017《潤滑油抗磨損性能測定法 四球法》評價試驗油抗磨損性能。試驗可以得到試驗油潤滑下的鋼球磨痕直徑，磨痕直徑越小表示試驗油抗磨損性能越好。

1.2.5 減摩性能評定

使用SRV試驗機考察不同頻率下試驗油的減摩性能。試驗方法：在試驗盤上注入待測的試驗油，在100 N的負荷，50 ℃的條件下，使試驗柱在一個固定的試驗盤上進行往復運動，測量不同頻率下的摩擦因數[14]。

1.2.6 防抖動性能評定

參考日本JASO M349方法，將離合器摩擦試驗機(TE92M)的摩擦片浸沒在試驗油中(30±5)min，然后將摩擦片安裝在主軸上；將鋼片安裝在試驗油容器里，向試驗油容器中加150 mL試驗油，安裝鋼片的試驗油容器壓在摩擦片上。完成磨合操作后，將試驗油維持在120 ℃，試驗載荷在2 060 N，連續地以0～1.5 m/s的速度加速旋轉摩擦片并采集數據，得到摩擦因數。試驗油的摩擦因數越穩定，表明其防抖動性能越好[15]。

1.2.7 摩擦特性評定

采用SAE NO.2試驗機，使用DEXRON?Ⅳ片式試驗方法進行試驗[10]。試驗時間為200 h。停止時間、中點扭矩、最大扭矩、最大扭矩與中點扭矩的差值及嚙合能量均在規定范圍內為通過。

2 結果與討論

2.1 低溫油泥分散性能和高溫清凈性評定

分散劑要求能有效地分散油品中的漆膜、積碳和油泥，油泥分散性是衡量無灰分散劑分散能力主要指標，SDT值越大，表明分散劑的分散性越好。將不同的分散劑進行低溫油泥分散性能和高溫清凈性評定，結果見表2。

表2 低溫油泥分散性能和高溫清凈性評定結果

從表2可見，RHY151PB的低溫油泥分散性與T151相當，優于T161；RHY151B的成焦量明顯低于T151和T161的成焦量，高溫清凈性優異。

2.2 抗磨損性能和極壓性能評定

機械在運轉過程中不可避免地會產生磨損，油品需要較好的抗磨損性能，以延長機械的使用壽命。油品在苛刻工況下會出現油膜破裂甚至燒結，也需要較好的極壓性能。將不同的分散劑以質量分數3%加入到基礎油Yubase6中，進行抗磨損和極壓性能評定，結果見表3。

表3 抗磨損性能和極壓性能評定結果

從表3可見，RHY151B的磨斑直徑與T151和T161相比最小，即其抗磨損性能最好；RHY151B具有更高的pB值和pD值，即其極壓性能最好。

2.3 減摩性能評定

降低油品的摩擦因數有利于節能，將不同的分散劑以質量分數3%加入到基礎油Yubase6中，考察摩擦因數隨頻率的變化，結果見圖1?？梢姡琑HY151B的摩擦因數相對較小，減摩性能相對較好。

圖1 不同添加劑摩擦因數隨頻率的變化

2.4 防抖動性能評定

近年來自動傳動液的技術開發主要是提高液力變矩器滑動閉鎖狀態下的摩擦抖動控制性能，提高自動傳動液使用壽命及保持金屬間摩擦因數的穩定性[15]。將不同的分散劑以質量分數3%加入到基礎油Yubase6中，進行防抖動性能評定，結果見圖2?？梢?，隨轉速增加，T151和T161的摩擦因數下降速度較快，而RHY151PB的摩擦因數相對比較穩定。

圖 2 不同添加劑摩擦因數隨轉速的變化

2.5 摩擦特性評定

摩擦特性是自動傳動液最為重要的性能，是換擋感覺、動力矩負荷和摩擦耐久性的綜合平衡特性。目前評價潤滑油摩擦特性的設備為SAE NO.2試驗機。使用磷硼化無灰分散劑調和成自動傳動液，按照通用公司DEXRON?VI 片式試驗方法進行評定。方法要求，停止時間：0.85 s≤ts≤1.05 s，中點扭矩：80 N·m≤Tmid≤105 N·m，最大扭矩Tmax>90 N·m，最大扭矩與中點扭矩的差值ΔT<30 N·m，嚙合能量：15.4 kJ≤Es≤16.0 kJ。試驗結果見圖3—7，圖中的水平實線為限值。

從圖3—7可見，使用磷硼化無灰分散劑調和的自動傳動液通過了SAE NO.2試驗，并表現出良好的運行趨勢。

圖 6 最大扭矩與中點扭矩差值ΔT隨試驗時間的變化

圖 7 嚙合能量隨試驗時間的變化

3 結論

以低分子聚異丁烯馬來酸酐、多烯多胺、硼酸和磷化物為原料，合成一種磷硼化無灰分散劑。模擬評定和SAE No.2試驗結果表明，磷硼化無灰分散劑不僅具有良好的低溫油泥分散性，還具有較好的高溫清凈性、極壓性能、抗磨損性能、減摩性能、防抖動性能和良好摩擦特性，能有效地解決自動傳動液摩擦耐久性的問題，對于高級別自動傳動液配方研究具有積極意義。